o DG
a p o

NHÀ XUAT BẢN ĐẠI HỌC QUỔC GIA HÀ NỘI


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KIỂU THỊ XIN

Đ Ộ•N G L ự• c H Ọ•C
K H Í Q UN V Ĩ ĐỘ TH ÂP

N H À X U Ấ T BẢN ĐẠI HỌC Q ư ố c G I A HÀ NỘI


Chịu trách nhiêm xuất bản
G iá m đốc:

N G U YẺN VÀN THỎA

Tổng biên tập:

N G U Y Ễ N T H IỆ N G IÁ P

N g ư ờ i n h ậ n xét:

PG S. T S T R A N TẢ N T IÊN
PGS. T S N G U YỄN VÃN T U Y Ê N
PGS. T S PH AN VÁN TÂN

B iê n

tập:

NGỌC QUYÊN
NHƯ QUỲNH

T rìn h

bàx b ìa :

NGỌC ANH

ĐỘNG Lực HỌC KHÍ QUN vĩ ĐỘ THẤP
M ã số: 0 1 14 0 .Đ H 2 0 0 2

In

300

cuồn tai Nha in Đai hoc Q uốc gia Hà NÔI

Sỏ xuất bản 2 2 5 /1 71/CXB. Sồ trích ngang
In xong vã nịp lưii chiểu q IV năm 2Ọ02.

287 KH/XB


Giáo trìn h

Đ ỏ n g


lự c h o c k h í q u yển v ĩ độ

c u n £ cấp cho sinh viên d ạ i học và

sou đ ạ i học

th ấp

nhằm

ngành K h í tượng

nhũng kiến thức về K h i tư ợ n g động lự c học nh iệt đớ i hiện đạ i,
đ ồ ìự th ờ i vẫn thê hiện chật chẽ n h ữ n g kiến thức cơ bản của
độ n ỉ lực học k h í quyến cỏ điéìt. G iáo tr in h cịn có thê là m tà i
Liệu th a m khảo cho cán bộ nghiên cửu n g à n h K h í tượng - T h u ỷ
văn Cling n h ư các ngành khoa học khác có quan hệ cơ chê với
th ờ ỉtiiit và k h í hậu n h iệ t đới.
N gười sử dụ n g g iá o trin h này coi n h ư đả có kiến thức cơ sở
to t ể v ậ t lý cơ đ iể n , hiểu biết tốt về tốn tín h cơ bản và m ột sơ
phe) tốn vectơ.

ỉn
I at d u
a

th is
des


e d itio n

o f D y n a m ic a l

M e te o ro lo g y

of

lo w

1 have attem pted to p ro vid e to students o f m eteorology

t ’. xt th a t reflects a scope o f m odern

meteorology,

w h ile

p ro v id in g

a

tro p ic a l d y n a m ic a l

coherent

presentation

of


fu n la m e n ta ls o f classical d y n a m ic a l meteorology. The text can
he c u se fu l reference fo r researchers m eteorologists , a n d also fo r
the scientists o f o th e r scie n tific fie ld s interested in d yn am ics o f
weather a n d clim a te in the tropics.
It

is

assumed

th a t

the

re a d e r

has

m astered

the

fu n la m e n ta ls o f classical physics a n d has thoroug h know ledge
o f eem entary ca lcu lu s w ith little basis in vector operations.

3


MỤC LỤC


Lời nói d ầ u
C hương mở dầu

9
ỉ1

M . l . Giới thiệu

11

M.2. Những đặc tính cơ bản của khí tượng học dộng lực

14

M.3. Một s ố đạc điểm hồn lưu khí qu yển vì độ thấp

19

C hươ ng 1: C á c d in h luật cơ b ả n c ủ a d ộ n g lực học k h i q u y ế n

29

] 1. K h ái niệm c h u n g v à biểu diễn vi p h â n
1 2

29

. Phương trình động lượng v iết dưối d ạ n g vectơ trong
hệ toạ độ q u a y


32

1.3. Các phương trình ch u y ển

động

trong hệ toạ dộ cầu

34

1.4. P h ân tích qui mơ các phương trình chuyển dộng

40

1.5. Phương trình liên tục

47

1.6. Phương trình n àn g lượng nhiệt động

52

1.7. N hiệt động lực học của khí quyển khô

57

Bài tập

63


C h ư ơ n g 2: H o à n lư u v à x o á y

65

2 .1. Đ ịnh lý hồn lưu

65

2.2. Xốy

71

2.3. X o á y thê

76

2.4. Phương trình xo áy

84

2.5. Phương trình xốy thế chính áp

91

. Phương trình xốy th ế tà áp

93

2 6


Câu hỏi và bài tập

98

C h ư ơ n g 3: H o à n lư u q u i m ô v ừ a
t . l . Nguồn gốc: n ă n g
0 .2

lư ợ n g

của hoàn lưu qui

. Fron t v à sự p h á t sinh front

101
mơ

vừa

102
103

3.3. B ấ t ổn định đối xứng

118

3.4. S ó n g núi

124


5


3.5 . Đôi lưu c u m u lu s
3.6. X oáy xoáy th u ậ n

133
đối lưu

145

3.7. B ão nhiệt đới

155

C â u hỏi v à bài tập

161

( h ư ơ n g 4: Đ ộ n g l ự c h ọ c k h í q u y ể n n h i ệ t đ ớ i

l6:.i

4 . 1 . C ấu trúc thám sá t của hồn lưu k h í quyển qui mơ lỏn 164
4.2. P h â n tích qui mơ chuyển động n h iệt đới qui mơ lớn

184

4.3. Đốt


194

nóng

ngừng kết

4.4. L ý thu yết sóng xích đạo

198

4.5. C h u y ể n động xích đạo ơn định c.ưỡng bức

208

4.6. Hồn lưu H a d l e y

21 ]

C â u hỏi và bài tậ p

225

C h ư ơ n g 5: D ộ n g l ự c h ọ c k h í q u y ể n g i ữ a

227

5 . 1 . C ấu trúc và hoàn lưu c ủ a t ầ n g k h í quyển giữa

228


5.2. Hồn lưu trung bình vĩ hướng của tần g khí quyển giữa

23 ]

5.3. S ó n g hành tinh lan tr u y ề n t h ẳ n g đứng

242

5.4. Sự đốt nóng đột ngột tr o n g t ầ n g bình lưu

244

5.5. S ó n g trong t ầ n g bình lưu. xích đạo

24U

5.6. Dao động tựa hai năm

258

5.7. Lớp ơzơn

26 3

C â u hỏi và bài tập

267

C h ư ơ n g 6: D ô i l ư u k h í q u y ể n
6 1


Mở đ ầu

269
26»

6.2. Đối lưu khô v à ẩm

270

6.3. M â y đối lưu không mưa và lớp m â y

280

6.4. Đổĩ lưu mưa

284

6.5. T ổ chức qui mô v ừ a c ủ a đối lưu

290

6 .6

29t'ỉ

. Đơi lưu đồn

6.7. Hồn lưu qui mơ lớn tron g k h í q u y ể n đối lưu


C h ư ơ n g 7: T í n h ả m t r o n g m ơ h ì n h d ự b ả o s ố
7 . 1 . Phương trình bảo tồn ẩm

298

30.*»
30íJ


7 .2 . Diều chỉnh đối lưu

30 8

7 . 3 . Mơ hình hố các q u á trinh m â y

313

7 .4 . T h a m sỗ' hoá m â y c u m u lu s

320

7 . 5 . T h a m scíhố trong mồ hình m ây

325

7 .6 . M ơ hình A r a k a w a - S c h u b e rt

332

C h ư ơ n g 8: M ô h ì n h h o á s ị v à d ự b á o s ô


349

8.1. Sự p h á t triể n lịch sử

349

8 .2

. V ân dể lọc n h iễ u khí tượng

352

8 . 3 . Phương p h áp s a i p h ân hữu hạn

355

Sa . Phương trìn h xốy chính áp trong s a i ph ân hữu hạn 369
8

.Õ. Phương p h á p phổ

8 .6

. Mơ hình phương trình

372
ngun t h u ỷ

379


8 .7 . Đ ồ ng hoá sô liệu

387

8 .8

39 6

. K h ả n ă n g dự báo

Câu hỏi và bài tập
T à i liệ u

th am

k h ảo

400
403

Đ á p sỏ c ủ a m ộ t s ô b à i t ậ p

404

Phụ lục

405

P h ụ lục


1.

P h ụ lục

2

H ằ n g sô v à th am sô thường d ù n g

. P h â n tích vectơ

405
405

P h ụ lục 3. N h iệ t độ th ế tương đương

408

p fiụ lục

4. S ố liệu vê khí quyển ch u ẩn

410

P h ụ lục

5: D anh mục kv hiệu

411


7


LỜI N Ó I Đ Ầ U

Khi tượng động lực học. cịn gọi là K h í tượng học lý thuvêt.
là m ôn học cơ sỏ q u an trọng bậc nhất đơi với chun ngành K h í
tượng và cần dược nghiên cứu tham k h ả o dối với nhiều chuyên
n g à n h khác qu an tâm đến các q trình thời tiết, khí hậu xẩy
ra tr o n g khí quyển.
T ro n g nhiều nàm giảng d ạ v mơn K h í tượng động lực học
cho sinh viên chính quy và sinh vièn c ao học ngành K h í tượng ỏ
Trường Đ H T H H N trước đ â y v à Trường Đ H K H T N thuộc Đại
họ< Quốc gia l l à Nội hiện nay. c h ú n g tôi đà sử dụng các giáo
trin h của nưỏc ngồi, phẩn lớn từ L iê n Xơ trước dây. có tham
k h á o một số tài liộu của các nước phương T ây . nhưng chi mỏi
c u n g cấp cho sinh viên những kiến thức cơ sở của dộng lực học*
k h í quyển cố điển. Cơ sỏ lý th u y ế t cô điển n ày là động lực học
địa chuyển, áp d ụ n g tố t dôi với các miền ngoại nhiệt đới. nhưng
g ặ p khó k h ă n khi tiến dần đến nhiệt đới, trước hết vì quá trình
q u y mỏ synỏp ở đ â y biểu hiộn yêu. Q u a n hệ địa chuyên hồn
tồn bị phá vỡ trên miến xích dạo. Ngồi r a nhiệt động lực học
k h í quyển nhiệt đới giữ vai trị chi phơi thời tiết khí hậu tồn
cầu , nhưng từ n hữ n g nam 80 về trước chưa (lược quan tâm
n g h ir n cửu (lúng mực. trước hẽt vì s ố liệu th á m s á t ở nhiệt đới
n ghèo nàn.
T ro n g vài thập k ỷ vừa qua khoa học* khí tượng p h á t triển
m ạ n h mẽ. Cơ hội phát triển nghiơn cứu khí tượng động lực đặc
biột I11Ỏ rộng (lôi vỏi miền nhiệt đới. trước hết ví thám sá t b ằ n g
n hữ n g phương tiện hiện lỉại dà hồn tồn có k h á n ă n g c u n g cấp

sỏỵ liộu cho mọi miến trên T rá i Đát . s a u (ló vì sự phát triển của
-khoa học m áy tính va diện ui viễn thơng đ ả v à đ an g đáp ứng
nhu CMu của bài tốn khí tưdng học. T iế n bộ quan trọng trong

9


khí tượng học m à con người d ạ t

được tron g h ai thập k ỷ q u a lì

những hiểu biết về xo áy xốy thuận, v ề động lực học k h í q u v ể i
nhiệt đới. về động lực học khí h ậ u c ũ n g như động lực họr k h
quyển tầ n g cao... T ấ t cả diều đó đặt r a cho c h ú n g tôi nhiệm VI
phải bổ s u n g những hiểu biết mói n ày v à o chương trình g iả n }
dạy mơn học K h í tượng động lực học.
N h ằm bước đầu đáp ứng nhiệm vụ nêu ra c h ú n g tơi (iã b ìê ỉ
soạn giáo trình "Đ ộng lực học k h í q u y ể n vĩ độ thấp" s a u m ộ
thời gian thu thập được một s ố giáo trìn h và tư liệu khoa học V»
K h í tượng học động lực ở nhiệt đới từ c á c nước phướng T â y (n h i
trích trong tà i liệu th a m khảo). Đ ây là một lãnh vực khoa họ'
mối và khó nên ở n h iề u chỗ trong giáo trình c h ú n g tòi dã buêi
dịch s á t với tư liệu gốc của tác giả để khôn g làm sai lệch ti
tưởng khoa học của v ấ n dể. T u y nhiên trong quá trình biên so>ại
v à biên dịch người viết tự th ấ y k h ô n g tr á n h khỏi những sa i Siót
v à mong muốn được quý bạn đọc góp ý trực tiếp.
T ác giả c h ân th à n h cảm ơn C N N g u v ễ n T h a n h Sơn và T ỉ
P h ạ m Ván H u ấ n đã dóng góp nhiều cóng sức trong việc chê b'ải
v à hồn thiện bản thảo giáo trình này.
T


10

/

_________ •

á c gia

V


C H Ư Ơ N G MỞ Đ Ẩ U

M .1. G IỚ I T H IỆ U

T h u ậ t ngữ địa lý “ miền nhiệt đới” h a y miền vĩ dộ thấp” quy
cho một v ù n g của T r á i Đất giới h ạn bởi 2 3 .5 °N (của Cancer) và
2 3 . 5 ° s (của Capricorn). Một định n g h ía k h ác của miền vĩ dộ
th ấ p là miền nằm giữa 30°N và 30"S. T heo cách xác định n à y
n h iệ t đoi là nguồn gốc phát sinh của mọi động luợng q u a y trong
k h í quyển v à c ủ a ph ần lớn nhiệt năng.
“Thời tiết nhiệt đới" lại có thể diễn ra ỏ một sơ v ù n g n ằm
n g o à i vĩ độ nhiệt đới trong một k h o ả n g thịi gian nào đó c ủ a
nam. Vi dụ: xo áy th u ậ n nhiệt dới - b ã o ỏ vùn g tâ y bắc T h á i
B ìn h Dương x â m n h ập đến cà Tokyô n ằ m ở 36"N trong khi ỏ
M elb o u rn (37.5"S) lại không diễn ra thời tiết nhiệt đối.
R iehl (19 7 9 ) lại gọi “ miền nhiệt đới” của khí tượng là ph ần
c ủ a thê giới có các q u á trình thịi tiết k h á c biệt rõ rệ t so với các
p h ầ n của vĩ độ cao hơn. R a n h giới giữa n h iệ t đói và ngoại nhiệt

đới gan tr ù n g với đưòng ph ân chia giữa c h ế lỉộ gió đơng v à c h ế
độ gió tây... T ro n g thực t ế k h ô n g có p h ầ n nào c ủ a khí quyển, tồn
t ạ i tách biệt m à tương tác giữa nhiệt đới v à ngoại nhiệt đới là
r ấ t qu an trọng.
T rong v à i thập k ỷ cuối khoa học k h í tượng động lực học tiếp
t ụ c phát triển mạnh mẽ. M ặc dù việc p h â n tích và dự báo các hệ
t h ô n g quy mô synố p ngoại nhiệt đối v ẫ n tiếp tục p h á t triển,
s o n g cơ hội p h á t triển k h í tượng dộng lực học đặc biệt được mở
r o n g đôi với miên vĩ độ thấp. S ự tiến hộ q u a n trọng d ạ t dược ỏ
dây

là những hiểu biết về xốy xo áy thuận qu y mơ vừa

(m eso scale storm), v ề dộng lực học nhiệt đới. vê động lực học k h í
h ậ u và về dộng lực học khí quyển giữa. V ấ n dề dự báo quỵ mô
11


svn ôp ngoại nhiệt đới v ầ n quan trọn g nhưng khơn g cịn là động
lực chính đối với nghiên cứu động lực học khí quyển.
N hững phát triển mỏi nêu trên chưa dược đề cập đến trong
các giáo trình khí tượng dộng lực học lưu hành ỏ V iệt N a m hiện
nay, nhưng lại r ấ t cần thiết cho sinh viên v à cán bộ nghiòn cưu
k h í tượng nước ta. n h ấ t là cho mục đích nghiên cứu v à ứng
d ụ n g của khí tượng dộng lực* học ị vì dộ thấp.
G iá o trình “Đ ộ ng lực học k h í q u y ể n vĩ độ thấp" n ày được
biên soạn dựa vào những giáo trình mới củ a thê giới chủ y ế u ở
phương T â y vê khí tượng động lực học n h iệ t đới. nhằm vun g càp
cho sinh viên v à cán bộ nghiên cửu k h í tương một số' tài liệu ir.ới
là m cơ sở để cập n h ậ t được sự p h á t triển và những thành tựu

mối trong khí tượng học lý th u yết c ủ a t h ế giới, đặc biệt trong
vòn g

20

n ăm gần đây.

N hữ ng cơ sở c ủ a động lực học ch ất lỏng cần thiết để hiểu
được chuyển động k h í quyển qu y mơ lớn dược trình b à y trong
h ai chương

1

và

2

.

T ro n g chương 3 giói thiệu v ề n h ữ n g hoàn lưu qu y mơ vừa.
với nội d u n g hồn tồn mới so với các giáo trình khí tượn£ (lộng
lực học khác có trong nước. Ớ đ â y một phổ rộng của cấr hệ
thơng quy mơ vừa dược phan tích, bao gồm front, xoáy xoay
t h u ậ n dối lưu (convective storm), só n g núi v à bão.
Ở chương 4 trình b à y về hồn lưu n h iệ t dới

(ỊU V

mị lớn. bơ


s u n g cả những tư liộu vổ chuyển dộng nlìiột đới quy mơ svnơp.
vổ lv th u yế t sóng xích (lạo và chuyến (lộng tĩnh phát t r u ‘ 11 ờ xiclì
dạo.
Nội d u n g chương 5 giới thiệu vè câu trúc v à hoạt dộng cù a
hoàn lưu tầ n g khí qu yển giữa v à về d ộng lực học của t ầ n g lrình
lưu. T ro n g các giáo trình khí tượng dộng lực d a n g có hiện n a y
trong I1ƯỚC chủ vếu chỉ tập tru n g trong nghiên cứu dộng lực học

12


của tầng dối lưu. vì t ầ n g đối lưu chiếm đến 85% tổng khơi lượng
khí quyển v à tồn bộ lượng nước khí quyển. T u y vậy, n gày n a y
ngưii ta k h a n g định dược ràng, nhiễu dộng thời tiết và biến đổi
k h í hậu có q u a n hệ chặt chẽ cá với t ầ n g khí quyển giữa. T ầ n g
khí quyển giữa trải dài từ đỉnh đổí lưu ( 1 0 - 1 6 km phụ thuộc
v à o vĩ độ) đến dộ cao k h o ả n g 100 km. T ầ n g đối lưu và tầ n g k h í

q u v'n giữa q u a n hệ với nhau thơng qua các q trình bức x ạ v à
độní lực học, c ần dược thổ hiện trong các mô hình bức xạ tồn
cầu vil (lự báo khí h ậu . N ghiên cứu đ ộng lực học của tầ n g k h í
quyin giữa g ắ n liền với sự phát triển các mơ hình này.
Chương

6

giới thiệu về những đặc điểm quan trọng n h ấ t

của đòi lưu khô và ẩm . về mây v à mưa, v ề đôi lưu không g â y
mưi và đôi lưu g â y mưa. ('hương n à y còn dể cập chủ yếu đến cơ

chê v ậ t lý c ủ a n h ữ n g quá trình là hệ q u ả của sự phát triển dôi
lưu vá đặc biệt m ạ n h ớ nhiệt đới như d ả i gió giật, m â y ổ n h à m
làn tài liệu tham k h ả o cho sinh viên tr ê n đại học và cán bộ
ngl iên cửu.
Nội dunfí chương 7 trình b ày v ề phương pháp tốn lý mơ tá
sự ;hát triển ẩ m tron g mơ hình dự báo số. Sự chuyển biến ẩ m
t r o ig khí qu yến n h iệ t đới có vai trị q u a n trọng và vô cùn g phức
tại

T u y v ậ y trong các mơ hình dự báo sơ’ hiện dại, các q u á

trìrh n à y được mô phỏn g chú yế u b ằ n g các sơ đồ tham sơ hố,
t r o i g đó tham sơ h o á đơi lưu c u m u lu s ở n h iệt đới c ần được đ ặc
biệ qu an tâm.
T ro n g chương

8

- chương cuối củ a giá o trình n à y giỏi thiệu

v ề ìhững n g u y ê n lý x â y dựng kỹ t h u ậ t dự báo thời tiết sơ. Đó là
c u i g cấp cơ sở lý th u y ế t và phương p h á p lu ậ n cho dự báo thời
tiế; hiện đại

dự b áo động lực học. T ín h kh ách q u a n của dự báo

độrg lực học là dự báo t r ạ n g thái tương lai của khí quyển từ
n háng hiểu biết vê t r ạ n g thái hiện tại với sử d ụ n g những gẩn
đ ú i g vào các phương trình động lực học.


13


M.2. NHỮNG ĐẶC TÍNH c ơ BẢN CỦA KHÍ TƯỢNG ĐỘNG Lực HỌC
•

•

•

t

•

M .2.1. T ín h liê n tụ c c ủ a k h í q u y ể n
K h í tượng động lực học là một c h u y ê n n gàn h kh oa học
c h u y ê n nghiên cứu những chuyển động trong k h í quyển gắn
liền vối thịi tiết v à k h í hậu. Đơi với tất cả những ch u y ể n động
n à y thì bản c h ấ t p h ân tử rịi rạc của k h í qu yển được bỏ q u a và
k h í qu yển dược coi là một môi trường lỏng liên tục (continuum).
M ộ t “điểm’' trong môi trường liên tục n à y là một n g u y ê n tơ' thổ
tích r ấ t nhỏ so với thể tích khí quyển khi nghiên cứu, n hư ng lại
c h ứ a một sô" lốn các phân tử. N hững diễn đ ạ t ph ần tử khí (air
parcel) h a y h ạ t k h í (air particle) nói c h u n g đều á m chỉ một
“ điểm ” như v ậ y . N h ữ n g đại lượng v ậ t lv k h ác n h a u đặc trưng
cho t r ạ n g th á i k h í q u yển (như khí áp, m ậ t độ, nhiột độ) được (*oi
là có giá trị d u y n h ấ t ơ từng điểm trong mơi trường khí quyển
liên tục. C á c biến trường n à y v à dạo h à m của c h ú n g được coi là
những hàm liên tục theo k h ô n g gian và thòi gian. C ác định luật
Cơ bản của cơ học c h ấ t lỏng v à nhiệt đ ộ n g lực học thông trị

c h u y ể n dộng khí q u yể n s a u đó có thể b iểu diễn qua các th à n h
p h ầ n trong các phương trình vi phân riên g; trong đó các biơn
trường là biến phụ thuộc: cịn khơng g ia n v à thời gian là những
biến độc lập.
Hệ tổng q u á t các phương trình vi p h â n riê n g thống trị
c h u y ể n động trong k h í quyển là vơ c ù n g phức tạp, và như ta
b iế t là k h ơ n g có nghiệm chung. Đ ể hiểu

dược vai trò v ậ t lý của

c h u y ể n động tron g k h í q u yển khi xác định thời tiết v à khí hậu
c an phải x â y dựng mỏ hình dựa vào đơn giản hố hệ thống các
phương trình cơ b ản trong khí quyển. V iệ c phát triển nhùng mơ
hình thích hợp với các hệ thơng c h u y ể n động khí quyến riê n g
b iệt đòi hỏi nghiên cứu th ậ n trọn g những quy mô chuvổn dộng
kèm theo.

14


M.2.2. Thứ n g u y ê n vật lý và đơn v ị đo
C ác định luật cơ b ả n thống trị ch u y ển động trong khí quyển
thoả m ãn nguyên tắc đồng n hất thứ n guyên. Đó là. tất cả các s ố
h ạ n g trong các phương trình biểu diễn những định luật, n à y
phải có cùng thứ n g u y ê n v ậ t lý. N h ữ n g thứ nguyên n ày có thể
biểu điền qua các số h ạ n g là tích s ố hay tỉ sơ củ a bơn thuộc tính
dộc lập có thứ n g u y ê n lá dộ dài. thời gian, khôi lượng và nhiệt
độ nhiệt dộng lực học (bảng M .l) . Đ ể đo v à so s á n h các s ố h ạ n g
tron g các (lịnh lu ật c h u y ế n động cần xác định hệ dơn vị đo cho
bón thuộc tinh C(1 b á n này.

T ro n g k h í tượng động lực học hiện n a y thường đ ù n g hệ đơn
vị quốc tê - hệ S I. B ố n thuộc tính cơ b á n trên được đo b ằ n g
n hữ ng dơn vị SUV ra từ hệ S I. Đó là tích h a y tỉ s ố c ủ a những đơn
vị có sở. Ví dụ v ậ n tốc có đơn vị đo là m s“ '. Một số những (iơn vị
s u y r a quan trọng có tên riên g v à k ý hiệu riên g. N h ữ n g đơn vị
thường (ỉùng trong k h í tượng động lực học cho trong b ả n g M . 2 .
N goài ra cịn có một đơn vị hổ s u n g để dinh rõ góc m ặ t là r a d ia n
(rad), cần dưa vào d ể biểu diễn v ậ n tốc góc tron g hộ S I ( r a d s ‘ ).
Báng M.1 Nhửng đơn vị đo
Thuỏc tinh

cơ sở

Tèn

trong hệ

SI

Ký hiẻu
m

Đỏ dài

met

Khối lượng

kilogram


Thời gian

giây

s

Nhiệt độ

độ Kelvin

K

Đ ể giữ đượe giá trị số trong khuôn khố những giới h ạn thích
hựp. th u ận tiện hơn là sử (lụng cả n h ữ n g đơn vị là bội sô th ậ p
p h â n và ưóc sơ th ậ p phân củ a đơn vị S I . Tiền tô d ù n g để chỉ
n h ũ n g bội số và ước số như v ậ y cho tr o n g b ả n g M .3, C ác tiền tố
tron g b a n g M .3 có th ể được g ắ n vào b ất k ỳ đại lượng nào c ủ a
đơn \ ị cơ sở củ a S I h a y đơn vị s u y r a từ hệ S I, trừ k ilo g ra m . Vì

15


k ilogram đã là một dơn vị tiền tố*, nên bội số th ậ p ph àn v à ưỏc
số thập phân của khơi lượng hình th à n h bởi tiền tố cho g r a m (g)
chứ không phải k ilo g ra m (kg).
Báng M.2 Những dơn vị đo suy rộng trong hệ Sỉ có tên rièng
Thuỏc tinh

Tên


Ký hiệu

Tấn sò

Herz

Hz (s ’ )

Lực

Newton

N (kgms ?)

Áp suất

Pascal

Pa (Nm 2)

Nàng lượng

Joule

J (Nm)

Còng suất

Watt


W (J s 1)

M ặc dù việc sử d ụ n g những đơn vị k h ô n g S I sẽ r ấ t ít x ả y ra
trong khn kh ổ giáo trìn h này, nhưng v ẫ n còn một s ố ngoại lộ
cần lưu ý. Đó là:
1.

T ro n g một sơ bôi cản h các đơn vị thời gian p h ú t (|>h). giơ

(h) và n gày (ngày) có th ể sử d ụ n g t h a y cho giây đổ bicui diễn
những đại lượng có giá trị sô" th u ậ n tiện hơn.
Bảng M.3 Quy mỏ của chuyển động khi quyển
Bội só

to8
101
10?
101
10 1
10 2
10 3
10 6

2.

Tiến tố

Ký hiéu

Mega


m

Kilo
Hecto

k
h

Deka

da

Deci

d

Centi

c

Milli

m

Micro

M

Kilop ascal (kPa) đước coi là dơn vị SI cho k h í áp. T u y vậv


phần lớn các n h à k h í tượng vẫn quen sử d ụ n g m illib ar (mb)
M ill ib a r b ằ n g 10 0 P a (0.1 kPa). Vì thế. để thuận tiện cho ngườ.


doc. khí áp ở đ â y nói chung được biểu diễn b ằn g kilop ascal
tương đương với 1 0 millibar. [Biến khí áp c h u ẩn b ằn g 10 1,3*25
k P a ( 1 0 1 3 . 2 5 mb)|. Đ ể nhất q u án với thực tiễn k h í tượng, thơng
thường các m ặ t k h í á p chuẩn thường được quy về m illib ar (ví dụ
mặt õOOmb).
3.

N h iệ t độ t h á m sá t nói c h u n g được biểu diễn tổng q u át với

s ủ (lụng quy mô n h iệt độ C elsius. Q u y mô n à y liên kết vói qu y
mơ nhiệt độ nhiệt động lực học bởi

T' = T - Tữ
tro n g đó: T( biểu diễn bàng ° c (độ C elsius), T - nhiệt độ động

lực học - "K (độ K elvin), và r0 = 273.15° K là điểm đóng b ă n g c ủ a
nước ồ (ỊUV mô K e lv in . Từ quan hệ n ày t h ấ y rò r à n g là một đơn
vị K e lv in b ằ n g một độ Celsius.

M.2.3. P h â n t í c h q u y m ơ
P h â n tích q u y mơ h a y quy mơ hố là một k ỹ t h u ậ t t h u ậ n
tiện để xác định giá trị của những s ố h ạ n g k h ác n hau trong các
phương trình thơng trị đơi với một d ạ n g chuyển động riê n g lẻ.
T ro n g quy mơ hố, những g iá trị m on g muốn điển hình c ủ a
những đại lượng q u y định sau:


1)

giá trị c ủ a các biến trường,

2)

biên (ỴƠ củ a t h ă n g g iá n g trong biến trường, 3) độ dài đặc trưng,
độ rfâu v à q u y mơ thịi gian để những t h ă n g giá n g n à y diễn ra.
C ác giá trị điển hình n à y sa u đó sẽ được d ù n g để so s á n h g iá trị
của các đại lượng k h á c nhau trong các phương trình thơng trị.
Vi dụ, trong một x o á y thuận synốp vĩ độ tru n g bình điển hỉn h
thì khí áp m ặt đ ất có thề th ă n g g iá n g đến

2

k P a (20 mb) trên

k h o ả n g cách n g a n g 2000 km. N ếu kí hiệu biên độ củ a t h ă n g
g iá n g k h í áp n g a n g này là ôp. các trục toạ độ n g a n g là Jt, y , và
quy mô n g a n g là I . . thì giá trị của g ra đ ie n khí áp n g a n g có thể
xác định b à n g cách th a y ờp = 2 k P a v à L = 2000 km thì sẽ n h ậ n

17


được
9
—


\dx õy)

~ — = l k P a / 1 0 3 k m (= 1 0 m b / 1 0 5km )

L

B ả n g M.4. Quy mô cùa chuyển động khi quyển
Dạng chuyển động
Quảng đường tự do trung binh của phàn tử

Quy mị ngang (m)
10~7

J
o

Xốy nhị

10M - 1

Xoắn bụi (Dust devils)

1 - 10

Lóc (Tornadoes)

102

Mảy Cumulonimbus


103

Front và giịng (Squall lines)

10* - 105

Bão (Hurricance)

105

Xốy thuận synốp

106

Sóng hành tinh

10'

o

Gió giật (Gusts)

—
X
0
1

o

Xoáy rối phút


N h ữ n g t h ă n g g iá n g k h í áp c ủ a giá trị tương tự có thể x ả y ra
tr o n g các hệ th ô n g chuyển động k h á c có q u y mô vô cùng k h á c
n h a u như lốc, giông và bão. V ậ y thì, g r a đ ie n k h í áp ngíing có
th ể biến đối tron g k h o ả n g m ấ y b ậc đại lượng đôi với những hệ
th ố n g k h í tượng thường dược qu an tâ m . N h iề u nghiên cứu
tương tự cịn có giá trị cả đối vói n h ữ n g sơ' h ạ n g kéo theo đạo
h à m c ủ a các biến trường khác. V ậ y thì b ản c h ấ t c ủ a n hữ n g sơ
h ạ n g chín h tr o n g các phương trình th ố n g trị phụ thuộc nhiều
v à o quy mô n g a n g của ch u vể n động. C á biệt, n h ữ n g ch u y ển
đ ộ n g có q u y mơ n g a n g vài kilom et h a y nhỏ hơn sẽ có quy mơ
thịi g ia n n g ắn , nên những số h ạ n g tính đến sự q u a y của Trái
Đ ấ t có th ể bỏ qua. tro n g lúc đó nhừng s ố h ạ n g qu y mô l(ìn lại trỏ
n ê n r ấ t q u a n trọng.
Vì tính c h ấ t c ủ a ch u vển động k h í q u y ể n phụ thuộc rất
18


m ạn h vào qu y mô n gan g, nên phép qu y mơ hố n à y q u y định
phương pháp thích hợp để phân loại các hệ th ốn g c h u y ể n đ ộng
ngang. Những ví dụ trong báng M.4 c ủ a n hữ n g d ạ n g c h u y ể n
dộng khác n h a u được phân loại nhờ quy mô n g a n g trong k h o ả n g
phổ từ

10

đến

10


met.

Trong các chương của giáo trình n à y thường sử d ụ n g p h é p
quy mô các biến khi phát triển phép dơn giản hố các phương
trìn h thơng trị.
M.3. MỘT S Ỗ ĐẶC ĐIỂM HỒN LƯU KHÍ Q U YEN
•

•

vĩ đ ộ t h ấ p
*

M . 3 . 1 . H o à n lư u t r u n g b i n h v ĩ h ư ớ n g
T ru n g hình năm hệ khí quyển T rá i Đ ất ở trong c â n b à n g
nhiệt động: ỏ nhiệt đỏi dư thừa n ă n g lượng bức xạ, tro n g lúc
trên vĩ dộ t r u n g bình và vĩ độ cao lại thiếu hụt. T u y thê ỏ vĩ độ
nhiệt đới rú t cục lại là vùng củ a làm lạ n h bức xạ. Thực c h ấ t
n â n g lượng bức xạ dư thừa ỏ nhiệt đới là m đốt nó ng bề m ặ t lục
địa và đại dương v à do đó làm bốc hơi ẩm . M ộ t p h ầ n n h iệ t ở đ â y
được chuyển vào khí quyển thơng q u a h iển n h iệt và ẩn n hiệt: v à
s a u đó vận chuyển vê cực nhờ hoàn lưu c h u n g k h í quyển.
T rê n hình M . l biểu diễn thông lượng hơi nước t r u n g b ìn h
n ăm kinh hướng trong khí quyển v à là một h à m c ủ a vĩ dộ. Ở
d â y lượng m ua n h iệt đới cao hơn so vối ngoại n h iệt đỏi v à đ ạt
cực đại qu an h

1 0 °N.

Trên hìn h M .2 cho ta sự vận c h u y ể n hơi nước kin h hướng

t r u n g hình n ă m trong khí quyển. T ừ hình n à y ta t h ấ v th ơ n g
lượng kinh hướng ở ngồi khu vực 25°N v à

2

õ °s. T ro n g k h u vực

n à y có sự hội tụ dịng lớn vào v ù n g vĩ độ giữa 5 ° s đôn 10 °N . Sự
hội tụ Iiày đánh d ấ u vị trí tru n g bình c ủ a d ả i hội tụ n h iệ t đới
(ITCZ). V ù n g hội tụ hơi nước n à y có thể g ắ n liền vói n h á n h mực
th ấ p hướng về xích đạo của hồn lưu H a d l e y t r u n g b ìn h (như
19


trên hìn h M.3). ổ H a d le y thơng trị có hội tụ vê xích đ ạ o t r ù n g
vói gió m ậu dịch mực thấp, ch u y ể n d ộng t h ă n g g ầ n xích đạo
trong nh án h gọi là r à n h xích dạo (equatorial trough). R à n h xích
dạo cùn g định vị vói dải hội tụ nhiột đối. Dịng hướng cực trong
t ầ n g đối lưu trên v à h ạ xu ố n g vào các v ù n g áp cao c ạn n h iệt đỏi.

Hình M.1. Mưa trung binh năm là một hàm của v ĩ độ (theo Seller, 1965)

Hinh M.2. Sự vận chuyển hơi nước trung bình năm theo kinh hướng
trong khi quyển (đơn vị đo dược nhản với 1015 kg. theo Seller, 1965)

T r ê n hình M.4 l à th à n h phần gió vĩ hướng t r u n g bình trẽn
7 5 0 mb v à 2 5 0 mb ở Iíắc bán c ầ u m ù a hè vn m ù a đông, (to b ằ n g
ms

Đặc điểm quan trọng n h ấ t là sự tách rời của gió đ ỏ n g ỏ


xích (lạo (u < 0 ). gió t â y trên vì độ t r u n g bình ( li >

20

0

), v à sự biến


dổi cấu trúc gió giữa các mùa. Cụ thể là dòng xiết tâ y m ạn h hơn
v à s â u hơn về phía xích dạo trên bán cầu mùa đơng.

Hình M.3. Hồn lưu kinh hướng trung binh và chế độ gió mật đất
(theo Dant. 1958)

_ Bấc bán cẩu
mùa dOne (ĐỊP)
/

:/ \ \

Ị

2S0fltb .

ỵ/ ĨSOrns^N^

•


90S60s 30s 030N 60N 90N
Vĩ độ
Hình M.4 Gió trung binh vĩ hướng trên 250mb và 750 mb trong mùa hị
và mùa đơng trèn Bắc bán cấu, đơn vị đo ms 1(theo VVebster, 1972)

Sự p h ân bố không đồng đều giữa các vùng đ ấ t và biển và
v ùng tiếp giáp ở n h iệ t đỏi làm cho dòng biến đổi khác n h a u rấ t

21


lớn theo k in h độ.
M.3.2. H oàn lưu q u y m ơ lớn
T r ê n hình M .5 b iể u diễn đường d òng tru n g bình mực 850
m b v à 20 0 mb cho m ù a hè ( J J A ) ở Eiắc b á n cầu. Ỏ đ â y ta th ấ y ,
t r ê n mực 8 50 mb có một th à n h phần vượt xích đạo. đặc biệt
tr o n g các p h ầ n của C h â u Á, C h âu ú c v à C h â u P h i. Dòng n ày
đổi hướng theo m ù a v à tạo thành gió m ù a h à n h tinh. CĩinịỊ
tr o n g các ph ần n à y c ủ a tầ n g đối lưu trên (2 0 0 mb) d ò n g có
hướng ngược lại so với mực dưới.

90w

0

90£

lOO

• 90W


SOW

o

90E

IƠO

90w

Hinh M.5. Các kiểu đường dòng trung binh trên 850 mb và 200 mb
trong mùa hè Bắc bán cầu (JJA) (theo Webster và cs., 1977)

K h o ả n g c ách giữ a các đường dịng k h ơ n g tỷ lệ đơn g iả n với
tốc dộ gió vì nói c h u n g gió phân k ý n g a n g . T u y v ậ y đường dònj'

dược d ù n g tr u y ề n thống đôi với n hiệt đới, th a y cho đưịng đẳnK
á p vì ở n h iệt đới q u a n hệ đ ịa ch u y ển giữa gió v à đường d ẳ n g áp
y ế u d ầ n c ù n g với g iả m biên độ. K h o ả n g cách giữa các đườní'
đ ẳ n g áp ở n hiệt đới k h á lớn, tức là g ra đ ie n khí áp ở đ ây tươnịí
đốì y ế u so vối giá trị c ủ a nó ở vĩ độ cao.
22


Dịng trong cả tầ n g đơi lưu tr ê n v à dơi lưu dưới của các
vùntí Châu Á. C hâu ú c và C hâu P h i cho th ấ y hiệu ứng q u a n
trọng củ a sự p h â n b ố đ ấ t ở n h iệ t đới. Rời khỏi lục đ ịa C h âu Á,
trê n T h á i Bình Dương, dịng đã có đặc tín h khác. T rên các mực
th ấ p dịng nói ch u n g hướng đông, tro n g lúc tr ê n các mực trê n

dịnịí p h ầ n lốn có hướng táy. N h ư vậy, dịng T h á i Bình Dương
xích dạo nói ch un g h ạ n chẽ trê n nền vĩ hướng.
Để làm s á n g tỏ ít nhiều Lính cấu trúc vĩ hướng này, n h ư n g
v ẫn tạo ra được bức tr a n h đơn g iả n hơn c ác trường h à m dịng, ta
có thể tách trường v ậ n tốc ba chiều th à n h h ai phần; p h ầ n q u a y
và p h ần p h â n k v như sa u
ỵ =kxViỵ +Vỵ,

(M.l)

tron g đó ụ/ là hàm dòng, X là t h ế v ậ n tốc. S ự đóng góp c ủ a
k y, \ 7 ụ/ là p h ầ n q u a y có giá trị x o á y là V X (k X v ^ ) = k • V V .
n hư n g không phân kỳ. Ngược lại V ỵ

là p h ầ n k h ô n g "quay,

n hư n g lại p h â n kỳ v à có độ ph ân k ỳ b ằ n g V 1X . Do đặc tín h thứ
h ai n à y m à việc nghiên cứu t h ế v ậ n tốc r ấ t bổ ích. Nó được sử
d u n g như một chỉ tiêu cản h báo để tá c h hoàn lưu v à p h â n kỳ.
Đ â y là phần c ủ a h o à n lưu p h ả n án h trực tiếp sự đốt nóng h a y
làm lạ n h của khí quyển.
T a cũng có thể nghiên cứu dịng tr o n g đới xích đ ạo b ằ n g
cách k h ả o s á t mộL lá t c ắt đứng vĩ hướng (có hai trục là độ cao v à
k in h độ) dọc theo xích đạo với các t h à n h p h ầ n vĩ hướng và
th ẳ n g đứng của v ậ n tốc. Hoàn lưu k iể u n à y biểu diễn trên hìn h
M . 6 . C h u y ể n động t h ă n g m ạ n h diễn ra ở tâ y p h ầ n T h á i B ìn h

D ưdng trên khu vực Indonesia mở rộng, v à c h u y ể n đ ộng g i á n g
tr ên p h ầ n lớn của đới xích đạo cịn lại, ngoại trừ h a i v ù n g nhỏ
c ủ a c h u y ể n động t h ă n g trên N a m M ỹ v à C h â u Phi. N ế u so s á n h

với b ản đồ phân bố độ p h â n k ỳ ( V 2/ ) t a sẽ t h ấ y v ù n g c h u y ể n
động t h ă n g m ạnh ở In d o n esia n ằ m ở p h ía đơng của cực đ ại t h ế

23


tốc độ - v ù n g của V ' /

lốn nhất. Hồn lưu đơng t â y th ố n g trị

n ày thường gọi là hoàn lưu W a lk e r (hình M . 6 ). T r ê n hình M - 6
biểu diễn c ấ u trúc t h a n g đứng chín h c ủ a trường v ậ n tốc q u y mị
lớn. Sơ" liệu trường gió t ầ n g đối lưu th ể hiện hai cực trị: m ộ t
trong t ầ n g đối lưu trên và một trong t ầ n g đối lưu dưới. Người ta
đã có thể s u y đốn được ngun n h ân q u y mô lớn của cấu tr ú c
khí quyển thơng trị trong khí qu yển n h iệ t đói. B ả n chất d ừ n g
của chúng. ít n hất trên qu y mơ thời g ia n mùa, gợi lên r ằ n g tác
n h ân c h u y ể n động ở đ ây là sự đốt nóng k h ác nhau giữa đ ấ t lục
địa v à đại dương h a y các d ạ n g đốt nóng k h ác n h au sinh r a tù
chúng. Có r ấ t nhiều b ằn g chứng th á m s á t ủ n g hộ giả t h u y ế t (lối
nóng. Đó là, lượng mưa lớn n h ấ t ở In d o n e s ia v à Đ ô n g N a m A
ph ân b ố tương ứng vối trường thê v ận tốc. Điều đó gợi lên r ằ n g
n h án h dòng th ă n g c h u n g của ổ H a d le ỵ v à ổ W a lk e r hình n h ư bị
điều khiển bởi giải phóng ẩ n nhiệt.
Hồn lưu dịnK Đồn^-Tây (Walker) dọc xích đạo

0

90E


180

90W

Mju

0

Hình M.6. Sơ đố biểu diễn hoàn lưu kinh tuyến - độ cao dọc xich đạo.
Đường đứt là dao động áp suất mặt đất và trên 200 mb. Vùng mây là
vùng đối lưu. ơ hồn lưu thống trị trên Thái Bình Dương Indonesia gọi
là hoàn lưu Walker (theo Webster, 1983)

T ên gọi hoàn lưu W a lk e r được B j e r k n e s d ù n g l ầ n đ ầu tiên
vào n ăm 19 6 9 để chỉ sự q u a y lậ t lại c ủ a t ầ n g đối lưu trên 1/4
m ặt xích đạo như T h á i B ìn h Dương. B j e r k n e s là người đ à giả
th u vết r ằ n g cơ chê tạo ra sự q u a y lại n à y là sự đốt nóng ngưng
kết ngồi khơi T â y T h á i B ìn h Dương, nơi nhiệt độ m ặt nước

24


biển t hường nóng dị thường. Cơng bì) n à y có nghĩa là nguồn gịc
c ủ a *inưa gắn liền với cơ c h ế điểu k h ic n n à y là bốc hơi địa
phương g ắn liền với nhiệt dộ m ặt đại dương nóng. Thừa n h ận
n à y bị Stone nghi ván (1977). Dựa vào nghiên cứu budget. Stone
lại cho thây rang, giãi phóng ẩn nhiệt diều khiển hồn lưu
W a lk e r lại Lifting quan âm với bốc hơi địa phương, ngược lại. hội
t ạ ấm từ những vùng khác phải là q u an trọng* Newell và cộng sụ
(19 7 4 ) lại định nghĩa hoàn lưu W a lk e r là dao dộng của hoàn lưu

q u y mơ lớn trơn m ặt xích (ỉạo so vói t r u n g bình vĩ hướng.
Tn*n hình M.7: a) biểu diễn đường đồng mức của thơng
liíỢnịĩ khối vĩ hướng lấy tru n g bình ba t h á n g ( 1 2 / 1 9 6 2 - 2/1963)
c ủ a một đới vĩ độ rộng

10°

có tâm trên xích dạo. Theo biểu diễn

n à y ta th ấ y có n ăm ổ hồn lưu tách rịi b ao quanh T rái Đ ất của
đới vĩ tuyến này. T u y vậy. ổ kép có n h á n h chuyển dộng t h ă n g
ngoài khdi T ã y T hái Bìn h Dương là ổ thống trị. Sơ (lồ tương tự
cho m ùa hè ( J J A ) của Bắc bán cầu biểu diễn trên hình M.7b). Ị
d â y chỉ có ba ổ hồn lưu. nhưng n h á n h dịng th ă n g chính v ẩ n
n ằm trên TAv T h á i B ìn h Dương. T ừ đ â y t a thấy, hoàn lưu trải
q u a t h á n g g iá n g mạnh cả trên quy mô thời gian nhiều nam v à
dưới mùa.
Hoàn lưu W alk er biên động giữa c ác n ăm khá lớn cả về q u y
mô v à cương độ. Sự biến động n à y b iểu hiện rỏ qua hiện tượng
cỉưực gọi là dao động n am (SO). Cường độ c ủ a sự biến dông n à y
g ắ n liền với những th ả n g giá n g khí á p trên mật biển ờ nhiệt
dới. mưa gió m ùa và hồn lưu mùa đ ơ n g trên Bắc M ỹ và những
p h ầ n k h á c ngoại nhiệt đới. Dao động N a m ám chỉ xu thế khí áp
m ặ t đỉYt trên các trạm ở T h á i B ì n h Dương (S a n Francisco.
Tokyo. Honolulu. S a m o a và N a m Mỹ) v à c ủ a lượng mu'a ỏ Ân Độ
v à J a v a phải tâng, trong khi khí áp tron g khu vực Ân Độ Dương
(C airô, T â y bắc An i)ộ. D arw in, M a u r i t i u s . Đông nam ủ c v à
(/ape) lại giảm . Tóm lại tỏng thể của tình huống n à y là tồn tạ i
25



đao động khi áp

quy

mô

lớ n d i đ ộ n g

lên

xuống

g iữ a

các

b iề n

T h á i B ìn h D ương v à Ấ n Đ ộ Dương.

a) Thòng lượng khòi vĩ hướng (10 12gm s_1) mùa đòng (DJF)

b) Thỏng lượng khối vĩ hướng (lO ’ -'gms 1) mùa hè (JJA)

Hình M.7. Dao động so với trung bình vĩ hướng của thịng lượng Khói vĩ
hướng lấy trung binh trẽn đới vĩ độ rộng 10° có tâm trên xích đạo (5°S-5°N)
a) Thời ký đòng (DJF). b) Thời kỳ hè (JJA). Cảc đường đòng mức cho ta biểu diẻn
tốt quan hệ giữa trưởng vận tóc và hồn lưu Walker. El Nino và dao đỏng nam s o
(Southern Oscillation)

H ìn h M .8 a b iể u d iễ n sự b iế n đổi c ủ a h iệ u s ố k h í á p c h u ẩ n
h oá g iữ a T a h iti v à

26

D a r w in , th ư ờ n g được gọi là ch ỉ s ố d a o d ộ n g